Solution tampon

Une solution tampon est une solution qui résiste à de fortes variations de pH lorsqu’on ajoute une petite quantité d’acide fort ou de base forte. La plupart des exemples vus en cours utilisent un acide faible avec sa base conjuguée, ou une base faible avec son acide conjugué.

L’idée centrale est simple : un tampon possède deux partenaires prêts à réagir. L’un élimine le $H^+$ ajouté, et l’autre élimine le $OH^-$ ajouté, de sorte que le pH varie moins que dans une solution non tamponnée.

Ce Qui Fait D’une Solution Un Tampon

Une solution tampon acide contient généralement :

1. un acide faible, comme l’acide acétique, $HA$
2. sa base conjuguée, comme l’ion acétate, $A^-$

Une solution tampon basique contient généralement :

1. une base faible
2. son acide conjugué

La condition essentielle est que les deux espèces du couple conjugué soient présentes en quantités appréciables. Une solution contenant seulement de l’acide acétique n’est généralement pas considérée comme un tampon pratique, car elle ne dispose pas de beaucoup de base conjuguée pour absorber l’acide ajouté.

Pourquoi Les Solutions Tampons Résistent Aux Variations De pH

Supposons qu’un tampon contienne $HA$ et $A^-$. Si on ajoute une petite quantité d’acide fort, la base conjuguée $A^-$ réagit avec une grande partie de cet acide ajouté :

$$A^- + H^+ \rightarrow HA$$

Si on ajoute une petite quantité de base forte, l’acide faible $HA$ réagit avec une grande partie de cette base :

$$HA + OH^- \rightarrow A^- + H_2O$$

Dans les deux cas, l’acide fort ou la base forte ajouté est transformé en une espèce plus faible. Le pH ne reste pas fixe, mais il varie moins qu’en l’absence du couple tampon.

Quand L’équation De Henderson-Hasselbalch Est Utile

Pour une solution tampon à base d’acide faible, une approximation très utilisée est l’équation de Henderson-Hasselbalch :

$$\mathrm{pH} \approx \mathrm{p}K_a + \log_{10}\left(\frac{[A^-]}{[HA]}\right)$$

Cette équation est surtout utile lorsque :

1. le tampon est bien formé d’un acide faible et de sa base conjuguée
2. les deux espèces sont présentes en quantités comparables et non négligeables
3. la concentration est une approximation acceptable de l’activité

Dans les exercices de cours et dans de nombreux problèmes de type laboratoire, cette approximation fonctionne assez bien pour développer l’intuition et résoudre des calculs courants. Dans des travaux plus précis, les chimistes tiennent aussi compte de l’activité, de la force ionique et de détails d’équilibre plus complets.

Exemple Résolu : Acide Acétique Et Acétate

Considérons un tampon formé d’acide acétique et d’acétate. Supposons qu’une solution de $1.0 \, \mathrm{L}$ contienne :

1. $0.20 \, \mathrm{mol}$ d’acide acétique, $HA$
2. $0.20 \, \mathrm{mol}$ d’acétate, $A^-$

Pour l’acide acétique, on prend $\mathrm{p}K_a \approx 4.76$.

Comme l’acide et la base conjuguée sont présents en quantités égales,

$$\frac{[A^-]}{[HA]} = 1$$

donc

$$\log_{10}(1) = 0$$

et le pH du tampon est approximativement

$$\mathrm{pH} \approx 4.76$$

Ajoutons maintenant $0.010 \, \mathrm{mol}$ d’acide fort, $HCl$. Le $H^+$ ajouté réagit principalement avec l’acétate :

$$A^- + H^+ \rightarrow HA$$

Les nouvelles quantités sont approximativement :

1. $A^-: 0.20 - 0.010 = 0.19 \, \mathrm{mol}$
2. $HA: 0.20 + 0.010 = 0.21 \, \mathrm{mol}$

Comme le volume de la solution reste proche de $1.0 \, \mathrm{L}$, le rapport des concentrations est approximativement le même que le rapport des quantités de matière :

$$\mathrm{pH} \approx 4.76 + \log_{10}\left(\frac{0.19}{0.21}\right)$$ $$\mathrm{pH} \approx 4.76 + \log_{10}(0.905) \approx 4.72$$

Le pH ne baisse que légèrement, d’environ $4.76$ à environ $4.72$. Cette faible variation est précisément le rôle principal d’un tampon.

Erreurs Courantes Avec Les Solutions Tampons

Considérer Toute Solution D’acide Faible Comme Un Tampon

Un acide faible seul peut avoir un pH, mais un tampon pratique nécessite le couple conjugué. Sans les deux espèces, la solution a beaucoup moins de capacité à absorber l’acide ou la base ajoutés.

Supposer Que Le pH D’un Tampon Reste Constant

Les tampons s’opposent aux variations. Ils ne les empêchent pas complètement. Si on ajoute trop d’acide fort ou de base forte, le tampon peut être dépassé.

Utiliser Henderson-Hasselbalch Sans Préciser Les Conditions

Cette équation est une approximation, pas une loi qui s’applique automatiquement à toute solution. Elle est surtout fiable dans le cas habituel d’un tampon à base d’acide faible ou de base faible, et non pour toute solution concentrée ou très non idéale.

Négliger La Capacité Tampon

Deux tampons peuvent avoir le même pH et pourtant se comporter différemment lorsqu’on ajoute un acide ou une base. Un tampon plus concentré a généralement une plus grande capacité, ce qui signifie qu’il peut neutraliser davantage d’acide ou de base ajoutés avant que le pH ne varie fortement.

Oublier Ce Que La Dilution Change

Si on dilue un tampon sans modifier beaucoup le rapport acide/base, le pH peut rester assez proche, mais la capacité tampon diminue. La solution devient plus facile à dépasser.

Où Les Solutions Tampons Sont Utilisées

Les solutions tampons sont utilisées lorsque le pH doit rester dans une plage exploitable. Parmi les exemples courants, on trouve les systèmes biologiques, les formulations pharmaceutiques et alimentaires, la chimie analytique, ainsi que les titrages près de zones où le pH varierait sinon rapidement.

Elles sont aussi importantes en dehors du laboratoire. La chimie du sang, l’activité enzymatique et de nombreux procédés industriels dépendent d’un pH maintenu dans une plage étroite, donc le comportement des tampons fait partie de ce qui rend ces systèmes stables.

Essayez Un Problème Similaire

Gardez le même tampon acide acétique/acétate, mais ajoutez $0.010 \, \mathrm{mol}$ de base forte au lieu d’un acide fort. Repérez quelle espèce réagit, mettez à jour le rapport $[A^-]/[HA]$, puis vérifiez si le pH augmente d’environ la même valeur qu’il a diminué dans l’exemple ci-dessus. C’est une bonne étape suivante si vous voulez tester votre compréhension.